Физические процессы. 
Электроника и схемотехника

В рабочем режиме (1)СИ > 0) по каналу протекает ток /к (рис. 2.20, а). Из-за конечного значения проводимости отдельных участков полупроводника и-типа потенциалы различных поперечных сечений х канала будут неодинаковыми. Потенциал Ux, распределенный вдоль канала, возрастает по определенному закону от Ucli = 0 в сечении истока х = 0 до Ucu в сечении стока х = /. Обратное (отрицательное) напряжение /?-и-перехода, равное Up, n = U3U — Ux, также возрастает по модулю в направлении стока, что вызывает соответствующее увеличение толщины запирающего слоя и сужение сечения канала. При этом наибольшее се;

Рис. 2.20. Конфигурация проводящего канала до насыщения (а) и при насыщении (б) транзистора чение канал имеет возле истока, где U = t/_3H, и наименьшее — возле стока, где обратное напряжение р-я-перехода равно U_p__rl = U_3U — и_си (следует иметь в виду, что Е/_Зи < 0).

Увеличение напряжения стока U_cu вызовет увеличение тока канала /_к, поскольку при U_cu = 0 сечение канала максимально (см. рис. 2.19, а). После того как разность напряжений ?/_зи — /7_СИ в сечении х = I достигает значения, близкого к напряжению отсечки, т. е. {/_ЗИотс ~^зи «и_си, канал сужается настолько, что рост тока практически прекращается. Транзистор переходит в режим насыщения (рис. 2.20, б). Напряжение, при котором он возникает, называется напряжением насыщения U_Cmc = U₃ — (7_ОТС. Проводимость канала и тока в режиме насыщения определяются следующими соотношениями [10]:

По мере роста напряжения на стоке U_c ширина запирающего слоя увеличивается. При переходе в режим насыщения (U_c = t/_Cliac) ширина канала возле стока и проводимость на этом малом участке канала становятся минимальными (рис. 2.21, а), а напряженность электрического поля достигает величины, при которой скорость дрейфа подвижных носителей становится постоянной. При этом независимо от напряжения, падающего на этом суженном участке, ток в сечении, а следовательно, и ток канала оказываются величиной постоянной.

Рис. 2.21. Влияние на /7-и-переход напряжения затвора U₃ = 0 +U_mc при U_c = t/_Cliac («) и напряжения стока U_c > U_Cuac при U₃ = 0 (б).

При U_c > U_{c нас} все дополнительное напряжение стока, превышающее U_{с нас}, выделяется на горловине канала (рис. 2.21, б). Скорость дрейфа подвижных носителей электрических зарядов в горловине по-прежнему остается постоянной, чем и объясняется ограничение тока канала на уровне /_к" /_киас. Увеличение напряжения U_c > U_{c иас} приводит к удлинению горловины канала из-за увеличения ширины запирающего слоя в полупроводниковой области, расположенной между каналом и стоком, в соответствии с формулой (2.7). В реальном приборе удлинение горловины канала происходит также за счет некоторого сокращения длины самого канала на /_к (см. рис. 2.21, б), что является одной из основных причин, препятствующих идеальному ограничению тока стока. Ток стока /_с в режиме насыщения имеет тенденцию к незначительному увеличению с ростом напряжения U_c > f/_Ctiac.

При U, > |1У_0ТС| канал полевого транзистора полностью перекрывается запирающим слоем 3, при этом ток канала обращается в нуль, а в цепи стока течет лишь некоторый малый остаточный ток, называемый током отсечки /_Сотс, состоящий (см. рис. 2.21, а):

• • из обратного тока /_о6р участка р-я-перехода, расположенного возле стока. Ток /_оГ)р протекает через затвор;
• • из тока утечки /_у, протекающего по поверхности кристаллической пластины.

Обычно /_у < /_о6р, поэтому 1_{С отс} ~ /_о6р.

При сравнительно большом напряжении t/_c, когда U_c + U₃ > ?/, _б, в стоковом участке обратно включенного управляющего р-п-иере- хода возникает электрический (лавинный) пробой, при котором происходит резкое возрастание тока стока /_Сироб, который замыкается через затвор (см. рис. 2.21, б).

В общем случае ток стока равен 1_С = /_к + /_Сотс, где /_к — ток канала, представляющий собой управляемую часть тока стока; /_Сотс — остаточный ток или ток отсечки, представляющий собой неуправляемую часть тока стока. В обычном рабочем режиме /_Сотс /_к, поэтому можно считать, что 1_С ~ /_к. В режиме электрического пробоя.

1 ~ 1

ⁱC ¹С проб;

Статические вольт-амперные характеристики. Семейство сто- ковыххарактеристик в виде зависимостей /_с =f (U_c) при U₃ = const представлено на рис. 2.22.

Построим стоковую характеристику при напряжении на затворе U₃ = 0 (см. рис. 2.21, б). При малых напряжениях на стоке ток стока I_c = G_k0U_c (участок О Л, см. рис. 2.22), где С_к0 — проводимость полностью открытого канала. На участке АВ роста тока 1_С с увеличением напряжения U_c замедляется, что обусловлено существенным сужением стокового участка канала и уменьшением его общей проводимости. В точке В ток стока достигает величины /_Сндс и при дальнейшем увеличении U_c остается почти неизменным, т. е. тран;

Рис. 2.22. Семейство статических стоковых вольт-амперных характеристик и форма запирающего слоя в отдельных точках зистор переходит в насыщение (участок ВС). Незначительное увеличение тока 1_С в режиме насыщения объясняется двумя факторами:

• • уменьшением длины канала /_к на некоторую малую величину А/_к с ростом U_c (см. рис. 2.21, б). Уменьшение 1_К вызывает увеличение проводимости канала, в то время как на самом канале продолжает выделяться напряжение, равное U_Cmc = const;
• • тенденцией к увеличению остаточного тока (или тока отсечки /_Сотс), который является составляющей тока стока /_с, с ростом U_c.

При U_c = U_{с 11|К)6} возникает электрический пробой стокового участка управляющего р-и-перехода, и ток стока резко возрастает.

Для постоянных отрицательных напряжениий на затворе (U₃ < 0) форма стоковых характеристик сохраняется. При U₃ > U ток /_с ~ 1_{С (ггс}, и характеристики практически сливаются с осью абсцисс. Для наглядности на рис. 2.22 приведена форма запирающего слоя в отдельных точках семейства характеристик. Пунктирной линией выделены точки, соответствующие условному перекрытию канала и наступлению режима насыщения.

Стокозатворные характеристики представляют собой зависимости /_с = F (U₃) при U_c = const. Их можно построить с помощью семейства стоковых вольт-амперных характеристик (рис. 2.23). Для этого при фиксированном напряжении U_c = const и известных U₃следует определить значения тока /_с.

Наибольший интерес представляет режим работы транзистора при U_c > ?/_Снас. Так как в режиме насыщения 1_С ~ /_Снас, все стокозатворные характеристики практически сливаются в одну (рис. 2.23, а). Аналитическое выражение этой характеристики достаточно точно определяется квадратичной зависимостью.

Рис. 2.23. Стокозатворная (а) и затворная (б) характеристики.

Затворная характеристика /3 = ф (f/3) при разомкнутой цепи стока (/с = 0) соответствует обратной ветви вольт-амперной характеристики полупроводникового диода (рис. 2.23, б).